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全代谢组

代谢组学(metabolomics)是继基因组学和蛋白质组学之后发展起来的新兴的组学技术,是系统生物学的组成部分。代谢组学是对生物体内所有小分子代谢物进行定性定量分析,并寻找代谢物与生理病理变化的相对关系的研究方式,其研究对象大都是分子量1500以内的小分子物质。


欧易特色


● 材料提取经验丰富,针对老师的不同样本提供灵活的提取方案

● 多平台检测:根据老师关注的目标成分选择合适的检测平台

● 靶标检测可以定性定量分析

● 分析内容全面,可根据老师需求提供个性化的分析方案


代谢组学项目流程


代谢组学项目流程-欧易生物


代谢组学项目流程


标准数据分析:

● 原始测序数据预处理   ● PCA分析

● OPLS-DA分析   ● 差异化合物筛选


高级数据分析

● O2PLS   ● 预测分析

● 层次聚类分析   ● ROC分析   ● Pathway分析


代谢组学适用范围


● 体液:血清、血浆、尿液、唾液、膝盖滑液、脑脊液、卵泡液、牛奶、痰液、舌苔液、淋巴液、胆汁等

● 组织:心脏、肝脏、肾脏、脑、胸腺、子宫内膜、螃蟹腮、文昌鱼、斑马鱼、线虫等

● 细胞:癌细胞及细胞培养液等

● 微生物:大肠杆菌、链球菌等

● 其他:粪便、食糜、肠道内容物等


案例展示


案例一:支气管肺泡灌洗液的非靶标LC-MS代谢组研究

研究背景:

急性呼吸窘迫综合症(acute respiratory d istress syndrome,ARDS)明显危害人类健康,已引起人们的重视。但是该病没有可以提前预检的biomarker和有效的药物疗法,因此该病在治疗方面面临挑战。

研究内容:

肺部组织代谢组检测可以详细反映局部环境的状态,这有利于ARDS biomarker的发现和靶标药物的验证。本研究通过非靶标LC-MS代谢平台检测来自于患者和正常人的BALF的代谢产物。用LC-MS、RP-LC和HILIC平台检测后,通过分析确定代谢物质,在两组样品中发现37个不同的代谢产物;进一步通路分析揭示了同ARDS BALF中氨基酸代谢、糖酵解和糖原异生化、脂肪酸合成、磷脂和嘌呤代谢相关的网络;最后证明RPLC和HILIC-LC联合分析平台提供了肺部环境中ARDS有效的代谢组数据。


代谢组学项目流程图-欧易生物
ARDS B ALF代谢产物鸟嘌呤核苷网络图-欧易生物
代谢组学项目流程图 ARDS B ALF代谢产物鸟嘌呤核苷网络图

研究结果:

● 1. 20个ARDS病人和8个正常人的BALF用于RPLC-MS平台检测,通过正向和反向离子通道可发现1742和1314个特征峰,排行前20的特征峰被选择;共有26个明显的内源代谢产物,代表了不同的种类,包括氨基酸、脂类和别的极性代谢产物;最显著的内源代谢产物在BALF样品中含量是升高的,差异倍数大概为1.22-41倍。

● 2. 挑选8个来自于ARDS病人和4个正常人的样本进行HILIC-MS检测,结果找到134个特征峰,其中18个可辨认的代谢产物含量在两组样本中明显不同,这些代谢产物被分为两类自由脂肪酸和不同的卵磷脂。大多数情况下,来自于ARDS病人的BALF卵磷脂含量降低而脂肪酸则升高。

● 3. 代谢通路分析表明氨基酸和它们的中间体以及参与碳水化合物和核苷酸代谢的化合物在ARDS样品中含量是升高的;大量的脂类代谢产物包括花生四烯酸、软脂酸和油酸也是增加的,而肺泡表面活性物质卵磷脂是减少的。

参考文献:

Evans CR, Kar novsky A , Kovach MA , et al. Untargeted LC-MS met abolomics of bronchoalveolar lavage fluid differentiates acut e respiratory dist ress syndrome from health. Journal of proteome research.13:640-649(2014). (IF: 4.173)


案例二:抗生素处理后大鼠肠道微生物菌群结构及代谢产物变化

研究背景:

艰难梭菌感染(C. difficile infection,CDI)后会引起发病率、死亡率和健康花费的增加,从而引起人们的关注。年龄和抗生素对于艰难梭菌感染来说是首要的风险因子。抗生素对胃肠道特征微生物有显著的影响,会降低这些微生物对艰难梭菌的定殖抗力。

研究内容:

本研究通过抗生素处理后,用艰难梭菌感染大鼠,从而诱导其肠道微生物群体和代谢发生持续的变化。次级代谢产物(胆汁酸、葡萄糖、自由脂肪酸和二肽)含量降低,而初级代谢产物(胆汁酸和糖醇)含量增加,这反映了肠道微生物的变化调节了代谢活性。体外实验表明抗生素处理后,艰难梭菌会引起肠道微生物产生更多特殊的代谢物,包括胆汁酸牛黄酸钠、甘露醇、果糖、棉子糖和水苏糖。以上结果揭示抗生素处理诱导肠道微生物群体发生变化,从而产生更有利于艰难梭菌繁殖和生长的代谢物。

肠道微生物的非靶标代谢-欧易生物
肠道微生物的靶标代谢-欧易生物
肠道微生物的非靶标代谢
肠道微生物的靶标代谢
研究结果:

● 1. 为了研究肠道环境感染艰难梭菌后发生的变化,取四组材料(头孢处理与否,艰难梭菌处理与否)用于微生物菌群及代谢产物检测,结果表明用头孢处理的微生物菌群结构明显不同于非处理组,且在处理后6个星期该菌群结构处于稳定状态。

● 2. 通过盲肠内容物非靶标检测发现非抗生素处理情况下可以检测到480种代谢物,其中处于敏感状态的代谢产物为氨基酸、碳水化合物、脂类、肽段和外源化合物。敏感状态的肠道代谢物明显地不同于抗性状态。两组非抗生素处理的样品其基础状态有更多相似的代谢谱,表明6星期之后的肠道代谢反映了群体结构的稳定性。抗生素处理导致了鲁米诺双肽含量显著降低,尽管大部分在处理6星期之后返回到基准线,这也表明特殊的肠道微生物对于蛋白消化是重要的。

● 3. 非靶标代谢产物检测表明定殖抗力功能的缺失同初级代谢产物胆汁酸的增加和相应的次级代谢产物的减少有关。

● 4. 为了更深入了解通过非靶标检测的代谢产物的变化,通过靶标检测了胆汁酸、糖醇和短链脂肪酸的含量。并通过体外实验进一步表明抗生素处理后碳水化合物和脂肪酸的变化可能反映了肠道微生物的活性变化,而且相同生理浓度的代谢产物也有助于艰难梭菌的繁殖和生长。

● 5. 通过关联分析微生物菌群结构和代谢组组成的相关变化两组数据,结果表明肠道中尤其对于艰难梭菌繁殖和生长的代谢产物,被硬壁菌门和拟门杆菌门两个菌群严重影响。这两个不同的微生物群体具有相似的代谢关系和产物。

参考文献:

Theriot CM, K oenigsknecht MJ, Clarlson PE, et al. Antibiot ic-induced shif ts in the mouse gut micr obiome and metabolome increase suscept ibility t o Clostridium difficile infection. Nature communication. 5:3114 (2014).(IF: 11.329)


常见问题


●1.代谢组检测怎么选择合适的应用平台

检测平台 适用的代谢组范围
GC-MS
氨基酸、有机酸、糖、醇、有机胺等含活泼氢的化合物,易挥发的化合物
LC-MS
沸点、热不稳定、高分子量、中等极性及非极性化合物,如氨基酸、脂肪酸、酰基肉碱、胆汁酸、溶血磷脂类等
脂质平台
脂质分析
CE-MS
极性小分子,特别是核苷酸、有机酸、氨基酸、磷酸糖类、ATP、ADP等

●2.代谢组学能检测出多少物质?

不同的平台其灵敏度及偏向性都不一样,而且不同的平台之间具有互补性。一般来说,NMR的灵敏度最低,能检测并定性的物质少于100个,其优势是简单,无损伤,可定量。质谱的灵敏度大概是NMR的1000倍,GC-MS检测血清样品定性的物质约300个左右,检测尿液样品定性的物质约600个左右,其他样品也在几百这个数量级。如果采用全二维GC-MS,物质的数量要翻倍,一般1千个以上。LC-MS检测物质的数量要比GC-MS少一些,一般100个以上

●3.代谢组学可以检测哪些样品?

代谢组学主要研究的是作为各种代谢路径的底物和产物的小分子代谢物(MW<1000)。其样品主要是尿液、血浆或血清、唾液、以及细胞和组织的提取液。我们也做过植物、真菌、微生物提取物、脑脊液、淋巴液、昆虫血淋巴、羊水、卵泡液、膝盖滑液、眼泪、精液、粪便及肠道内容物提取液等。

●4.为什么选择代谢组学作为科研技术手段?

1)小分子的产生和代谢是生物机体作用的最终结果,生物体液的代谢产物分析能够更直接,更准确的反映生物体的病理生理状态;

2)基因和蛋白质表达的有效微小变化会在代谢物上得到放大,从而使检测更容易;

3)代谢组学的代谢物信息库简单,但它远没有全基因组测序及大量表达序列标签的数据库那么复杂;

4)代谢物的种类少,要远小于基因和蛋白质的数据,物质的分子结构要简单得多;

5) 代谢产物在各个生物体系中都是类似的,所以代谢组学研究中采用的技术更容易在各个领域中通用,也更容易被人接受。


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